紅外吸收光譜法測(cè)量六氟化鈾濃度的裝置設(shè)計(jì)

瞿定榮 李媛媛

摘 要：UF6是核燃料加工產(chǎn)業(yè)中的重要原料，由于其放射性和化學(xué)毒性，UF6一旦泄漏將對(duì)人身安全造成巨大威脅。目前國(guó)內(nèi)對(duì)UF6泄漏事故的研究甚少，該文提出了一種基于吸收光譜法的裝置設(shè)計(jì)方案，用于探測(cè)UF6泄漏時(shí)空氣中UF6的濃度。該裝置可在UF6泄漏事故中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UF6濃度，為制定應(yīng)急響應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)救援提供輔助決策。

關(guān)鍵詞：紅外吸收光譜法 測(cè)量六氟化軸濃度 裝置設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)：O43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（b）-0009-03

中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)正向清潔低碳化發(fā)展，在這場(chǎng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中，核電始終被寄予厚望。隨著我國(guó)核電規(guī)模的日益擴(kuò)大，人們對(duì)核能利用的關(guān)注度也越來越高，安全、綠色成為新形勢(shì)下核能發(fā)展的重要方向[1]。核能的利用離不開核燃料的加工，UF6是核燃料加工產(chǎn)業(yè)中極為重要的工作介質(zhì)，鈾純化轉(zhuǎn)化、鈾濃縮、元件加工環(huán)節(jié)都有它的身影[2]。UF6具有放射性與化學(xué)毒性，對(duì)人的腎臟和肺部具有致命性損傷。同時(shí)，UF6極易水解，可以與空氣中的水蒸氣迅速反應(yīng)生成UO2F2和HF，HF具有強(qiáng)酸性，對(duì)皮膚有強(qiáng)烈刺激和腐蝕作用[3]。因此，預(yù)防UF6的泄漏，并在泄漏事故發(fā)生后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UF6濃度，制定高效的應(yīng)急響應(yīng)和救援計(jì)劃[4]，最大限度地減少事故對(duì)人身安全傷害，是核燃料加工行業(yè)安全工作的重要環(huán)節(jié)?；谝陨戏治?，該文采用紅外吸收光譜法，研發(fā)了一種事故應(yīng)急時(shí)用于測(cè)量空氣中UF6泄漏濃度的裝置。

1 裝置設(shè)計(jì)原理

紅外吸收光譜法是根據(jù)測(cè)量分子對(duì)特征吸收譜線的吸收，進(jìn)行定性定量的一種分析方法[5]，它可測(cè)量氣體、溶液中某一組分的濃度，具有靈敏度高、分析精度高等優(yōu)點(diǎn)。UF6在紅外光譜區(qū)具有明顯的特征峰，因此，可以根據(jù)吸收峰的強(qiáng)度確定UF6的相對(duì)濃度。同時(shí)，根據(jù)李庭華等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]，UF6在常溫條件下對(duì)16 μm的紅外光的吸收是非常靈敏的，因此，紅外吸收光譜法可以作為對(duì)UF6泄漏濃度進(jìn)行有效鑒別和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段。

2 吸收光譜法探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

基于紅外吸收光譜法的UF6氣體濃度探測(cè)裝置由激光器、分光鏡、光電接收器和查分放大器組成，裝置設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

探測(cè)激光選用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，激光頻率可在16 μm附近做無跳模掃描，探測(cè)激光頻率掃描周期，范圍可由信號(hào)發(fā)生器輸出的三角波控制。激光經(jīng)分光鏡作用可沿3個(gè)路徑運(yùn)動(dòng)。光路1的激光經(jīng)過UF6氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品池，在光電接收器1處得到吸收峰。此吸收峰用于標(biāo)定UF6特征吸收峰在吸收光譜中的位置。光路2密封在整個(gè)儀器中，不與空氣接觸，最終進(jìn)入光電接收器2，作用是測(cè)定激光功率隨激光波長(zhǎng)的變化規(guī)律，作為差分放大器的基礎(chǔ)輸入信號(hào)。光路3直接暴露在空氣中，用于空氣中存在六氟化鈾時(shí)，光電接收器3處能夠獲得UF6特征吸收譜線。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)樣品池的設(shè)計(jì)

通?？梢圆捎脙煞N方法判斷激光波長(zhǎng)是否處于UF6的特征吸收峰附近，一種是波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量法；另一種是標(biāo)準(zhǔn)樣品池法。第一種方法需要激光在UF6特征吸收峰附近做頻率掃描，然后對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，來確定此波長(zhǎng)就是UF6特征吸收峰光譜。滿足這種要求的波長(zhǎng)計(jì)價(jià)格昂貴且體積較大，將極大地增加裝置的設(shè)計(jì)成品。因此，該文采用標(biāo)準(zhǔn)樣品池法，將常溫下密閉容器中的低氣壓UF6標(biāo)準(zhǔn)樣品代替波長(zhǎng)計(jì)，用以標(biāo)定UF6的特征吸收峰。這樣，只要在光路1中出現(xiàn)UF6吸收峰，就可以確定激光的頻率是滿足要求的，并確定UF6特征吸收峰在吸收光譜中的位置。這樣的設(shè)計(jì)可以盡可能地減小裝置的體積和設(shè)計(jì)成本。

2.2 差分放大器測(cè)量吸收光譜

裝置設(shè)計(jì)的體積越小，操作起來更方便，因此，如圖2所示的裝置設(shè)計(jì)方案中，光路3在空氣中暴露的長(zhǎng)度以及光路3的吸收長(zhǎng)度越短越好。在這種情況下，當(dāng)空氣中的UF6濃度很低時(shí)，對(duì)光路3中激光的吸收比例是非常低的，這種低吸收比例的情況稱為弱吸收。

3 結(jié)語

UF6是鈾濃縮和鈾轉(zhuǎn)化過程中的重要原料，其放射性和化學(xué)毒性對(duì)人身有巨大傷害。該文基于紅外吸收光譜法，設(shè)計(jì)了測(cè)定六氟化鈾西樓濃度的裝置，裝置采用標(biāo)準(zhǔn)樣品池標(biāo)定UF6的特征吸收譜，差分放大方法測(cè)量吸收光譜，獲得UF6的泄漏濃度。裝置設(shè)計(jì)合理、成本較低，具有很強(qiáng)的可行性和實(shí)用價(jià)值，可以在UF6泄漏事故中為應(yīng)急響應(yīng)提供輔助決策。裝置設(shè)計(jì)還需要在實(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)證和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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